石墨烯基納米隔熱材料的研究及節(jié)能應(yīng)用

翟茜茜

上海市節(jié)能減排中心有限公司

0 引言

隨著社會的快速發(fā)展，全球的能源消耗日益增長。與能源緊缺同時(shí)出現(xiàn)的不僅僅是世界各國對石化能源的爭奪和沖突，還對自然環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的破壞[1,2]。因此，節(jié)能技術(shù)和節(jié)能產(chǎn)品已成為世界各國重點(diǎn)研究和開發(fā)的領(lǐng)域之一。國民經(jīng)濟(jì)的高速持續(xù)發(fā)展，能源供給將起到支柱作用。因此，能源使用規(guī)劃以及相關(guān)的節(jié)能減排技術(shù)對我國的可持續(xù)發(fā)展顯得格外重要，尤其是《環(huán)保法》已成為我國的一項(xiàng)基本法，預(yù)示著過去以環(huán)境換經(jīng)濟(jì)的粗獷型發(fā)展模式已經(jīng)成為歷史。

在空調(diào)制冷季節(jié)，由于很多既有建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)未采用內(nèi)/外保溫，同時(shí)缺乏有效的隔熱屏障，使長時(shí)間日照條件下的建筑內(nèi)部溫度快速升高，為了保證人員的舒適性必須長時(shí)間使用空調(diào)。工業(yè)方面，特別是石油化工企業(yè)的油品儲罐，由于溫度升高導(dǎo)致油品膨脹蒸發(fā)，在夏季極易發(fā)生呼吸效應(yīng)，不僅造成了能源浪費(fèi)和污染大氣的揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）的排放，而且油氣在罐體周圍沉降造成了極大的安全隱患[3,4]。目前，石化企業(yè)為了避免儲罐呼吸效應(yīng)的發(fā)生，在春夏兩季，每天采用大量的冷淋水冷卻罐體數(shù)次，不僅造成大量的資源浪費(fèi)，而且依然不能避免VOCs的排放。因此，有必要對如何抑制民用建筑和工業(yè)儲罐在春夏兩季溫度快速升高進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排效益。在眾多相關(guān)技術(shù)中，隔熱涂層具有低成本、效果顯著和改造方便等優(yōu)勢，在建筑和工業(yè)節(jié)能領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[5,6]。

傳統(tǒng)的隔熱涂層主要以空心玻璃微珠作為功能原料，其對太陽光中用于發(fā)熱的紅外和可見光波段的入射光具有良好的反射能力和較低的熱導(dǎo)率。但是，空心玻璃微珠在涂層材料生產(chǎn)過程中容易發(fā)生破裂，失去其功能性。另外，空心玻璃微珠對人體有潛在的危害，已被明確歸為致癌物。最新的研究成果表明，納米空心陶瓷微珠對紅外和可見光的反射率比空心玻璃微珠更強(qiáng)，同時(shí)還具有良好的機(jī)械性能，并且對人體和環(huán)境友好。因此，納米空心陶瓷微珠被認(rèn)為是空心玻璃微珠的良好替代物。但是相關(guān)的科學(xué)研究和工程應(yīng)用研究還比較缺乏，值得進(jìn)一步研究。石墨烯作為一種新型的碳材料，具有杰出的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和機(jī)械性能[7-10]。自2004年首次被發(fā)現(xiàn)后就迅速引起全球關(guān)注，在眾多領(lǐng)域都具有良好的應(yīng)用前景。石墨烯的納米結(jié)構(gòu)使其有可能在涂層材料中形成致密的防水層，提高涂層材料的防腐性，延長被涂覆物的壽命。但是，因相關(guān)研究鮮有報(bào)道，限制了石墨烯在涂層材料中的應(yīng)用。本研究將采用石墨烯和空心納米陶瓷微珠制備隔熱涂層材料，并測試該涂層材料在實(shí)際應(yīng)用中的節(jié)能效果。

1 制備與表征

1.1 原料

本文所述的原料有石墨烯、納米空心陶瓷顆粒、二氧化鈦、膨潤土、硫酸鈣、分散劑、防腐劑、增稠劑和十二烷基苯磺酸鈉，所有溶液均采用去離子水制備。

1.2 制備

將35g硫酸鈣粉末、54g納米二氧化鈦粉末、26g納米陶瓷顆粒和2g膨潤土加入100ml去離子水中，采用磁力攪拌器攪拌1h，保持?jǐn)嚢杷俾蕿? 200rpm。然后采用研磨設(shè)備將均勻溶液進(jìn)行研磨預(yù)處理，保證溶液中的固體尺寸不大于20μm。然后將3g石墨烯、2g十二烷基苯磺酸鈉和140g樹脂乳液緩慢加入研磨后的溶液中，并中速攪拌20分鐘（攪拌速率為600rpm），十二烷基苯磺酸鈉能實(shí)現(xiàn)石墨烯在溶液中的均勻性，最后加入15g各種助劑，持續(xù)攪拌40分鐘得到隔熱涂層材料。工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品采用相同的配方和工藝放大生產(chǎn)，最后采用無氣噴涂方式對建筑和工業(yè)裝備進(jìn)行涂裝。

1.3 測試儀器

石墨烯和納米空心陶瓷微珠樣品形貌采用透射電子顯微鏡進(jìn)行表征（SEM，F(xiàn)EI Sirion 200，5kV，Japan)；納米隔熱涂層材料對太陽光的反射率采用反射率測定儀測定（C84-III，上海普申化工機(jī)械有限公司）。理論計(jì)算采用comsol軟件。

2 分析與討論

2.1 樣品的SEM分析

圖1(a)-1(c)分別是石墨烯和納米空心陶瓷微珠原料的SEM圖片。由圖1(a)可見，石墨烯片的尺寸約為50nm，較小的平均尺寸為其在樹脂中的均勻分散提供了前提條件。此外，由高倍率圖片1(b)可以看到，石墨烯表面存在明顯的褶皺，這些石墨烯自發(fā)形成的褶皺能有效降低其表面能，提高二維石墨烯材料在常溫環(huán)境下的穩(wěn)定性[11,12]。圖1(c)展示了納米空心陶瓷微珠的形貌，可以看到納米空心陶瓷微珠具有規(guī)則的形狀，其尺寸范圍在400nm～500nm。小尺寸的隔熱填料有利于提高其對入射光的高反射能力。

圖1 石墨烯的SEM照片（a）低放大倍率（b）高放大倍率（c）空心納米陶瓷微珠

2.2 樣品的太陽光反射率分析

表1列出了將不同厚度的石墨烯基隔熱涂層材料噴涂在不銹鋼材料表面后涂層對太陽光的反射率?？梢钥吹?，當(dāng)涂層厚度超過400μm后，超過90%以上的太陽輻射熱都將被反射回空間中。

表1 石墨烯基隔熱涂層材料厚度與太陽光反射率之間的關(guān)系

2.3 案例分析

（1）民用建筑

將制備的石墨烯基隔熱涂層涂裝于珠海香洲區(qū)某小區(qū)別墅的玻璃房屋頂，圖2為施工過程中和完成后的玻璃屋頂。該玻璃屋頂面積為16m2，在涂裝隔熱涂層之前，環(huán)境溫度為35℃左右，玻璃屋內(nèi)實(shí)測溫度超過60℃，每天必須從8：00～18：00開啟空調(diào)制冷?？照{(diào)的功率為1.5P，每天消耗電能11kWh，以夏季高溫天氣60天計(jì)算，則每年高溫天需要消耗的電能達(dá)到660kWh，折標(biāo)準(zhǔn)煤173kg，排放二氧化碳0.46t，以整個(gè)小區(qū)86套別墅計(jì)算，消耗電能折標(biāo)準(zhǔn)煤14.88t，排放二氧化碳39.56t。而使用石墨烯基隔熱涂層材料后，玻璃房的溫度降至38℃左右（環(huán)境溫度為35℃），如果長時(shí)間不在玻璃房活動則不需要使用空調(diào)。2018年夏季10個(gè)高溫天期間，玻璃房涂裝石墨烯基隔熱涂層前后內(nèi)部溫度的變化見表2。

圖2 玻璃房頂（a）施工中 （b）施工后

表2 涂裝石墨烯基隔熱涂層材料前后玻璃房內(nèi)部溫度的變化(地點(diǎn)：珠海某小區(qū)；時(shí)間：2018年8月)

從上述數(shù)據(jù)可以看出，使用石墨烯基隔熱涂層材料涂裝玻璃房頂后，玻璃房的溫度平均下降22℃，大幅減少了玻璃房開空調(diào)的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了顯著的節(jié)能效果。

（2）工業(yè)領(lǐng)域

石墨烯基隔熱涂層材料在工業(yè)領(lǐng)域也有顯著的隔熱節(jié)能效果。圖3是采用該隔熱涂層材料在廣東某石油公司的某集裝箱房施工的照片，該集裝箱房為保安人員的值班室，在涂裝前每年7-9月必須24小時(shí)開啟空調(diào)，表3列出了2017年8月10個(gè)高溫天期間集裝箱房內(nèi)未開空調(diào)時(shí)的溫度。該集裝箱內(nèi)配有一臺3P空調(diào)，每天工作22小時(shí)（6∶00-8∶00關(guān)機(jī)保養(yǎng)）。采用石墨烯基隔熱涂層材料后，集裝箱房內(nèi)的溫度下降幅度大于20℃，每天開啟空調(diào)的時(shí)間縮短至6小時(shí)，夏季可節(jié)約電能3 175kWh，折合標(biāo)準(zhǔn)煤914kg，減少CO2排放2.23t。目前，此隔熱涂層已在該石油公司的58個(gè)集裝箱房推廣，節(jié)能減排效果十分顯著。

圖3 集裝箱房涂裝石墨烯基隔熱涂層材料

表3 涂裝石墨烯基隔熱涂層材料前后集裝箱房內(nèi)部溫度的變化(地點(diǎn)∶廣東某石油公司；時(shí)間∶2017年8月)

該石墨烯基隔熱涂層材料在汽油儲罐表面使用后也表現(xiàn)出良好的節(jié)能減排效果。圖4是該隔熱涂層材料在江蘇某油罐施工的圖片，4a和4b分別是對一個(gè)5 000m3汽油罐的罐身和罐頂?shù)氖┕ふ掌?。圖4c和4d分別是采用comsol軟件對該油罐涂裝石墨烯基隔熱涂層前/后罐體溫度的模擬結(jié)果。模擬結(jié)果顯示，涂裝隔熱涂層前后罐身的溫度可下降超過15℃。

圖4 （a）罐身施工圖（b）罐頂施工圖（c）涂裝隔熱涂層前油罐的溫度模擬圖（d）涂裝隔熱涂層后油罐的溫度模擬圖

表4為涂裝隔熱涂層前/后罐頂和罐身溫度的變化，罐頂溫度下降超過20℃,罐身溫度下降超過12℃。按照實(shí)測油氣蒸發(fā)量對比，涂裝石墨烯基隔熱涂層后該5 000m3汽油罐每年可減少油氣損耗28m3，相當(dāng)于減少二氧化碳排放59.79t，其節(jié)能減排效果非常顯著。

表4 涂裝石墨烯基隔熱涂層材料前后油罐表面溫度的變化

3 結(jié)論

（1）采用石墨烯和空心納米陶瓷微珠作為主要功能填料制備了隔熱涂層材料，此隔熱涂層材料具有良好的反射太陽光中的紅外和可見光部分。當(dāng)涂層厚度超過400μm時(shí)，其對太陽光的反射能力超過90%。

（2）將此涂層應(yīng)用于某小區(qū)別墅玻璃房頂后，在夏季可以將室內(nèi)溫度下降約20℃，整個(gè)小區(qū)玻璃房每個(gè)夏季可節(jié)約電能56 760kWh，折合標(biāo)煤14.88t，減少二氧化碳排放39.56t。

（3）將此涂層材料應(yīng)用于石化企業(yè)的集裝箱房表面，58個(gè)相同尺寸的集裝箱房在夏季每天可減少空調(diào)使用時(shí)間16小時(shí)，夏季實(shí)現(xiàn)節(jié)約電184 150kWh，折合標(biāo)煤53.04t，減少二氧化碳排放129.34t。

（4）將該涂層材料應(yīng)用于5 000立方米的汽油罐表面后，使罐頂和罐身溫度分別下降20℃和12℃，每年減少油氣損耗28m3，相當(dāng)于減少二氧化碳排放59.79t。